寨子河瀝青混凝土心墻堆石壩滲流及應(yīng)力應(yīng)變分析

葉發(fā)文 ，高 陽(yáng) ，張建海 ，趙元弘

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

1 工程概況

寨子河水庫(kù)位于四川省萬(wàn)源市太平鎮(zhèn)杜家壩村和茶埡鄉(xiāng)磙子坪村境內(nèi)，水庫(kù)位于后河左岸一級(jí)支流寨子河中游。壩址以上控制集水面積20.3 km2，多年平均來(lái)水量1827萬(wàn)m3，是一座以城市供水和灌溉為主，兼顧?quán)l(xiāng)村人畜供水的中型水利工程。水庫(kù)總庫(kù)容1175萬(wàn)m3，興利庫(kù)容953萬(wàn)m3，多年平均城市供水量780萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積 0.13萬(wàn)hm2。水庫(kù)樞紐由攔河大壩、泄洪隧洞、放空隧洞、取水隧洞等建筑物組成。攔河大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程880.00 m，壩頂寬10.0 m，壩頂軸線(xiàn)長(zhǎng)227 m，最大壩高93.0 m，最大壩底寬約342.6 m。大壩上游邊坡1∶1.7；下游壩坡馬道寬7.0 m，平均坡度1∶1.6，局部坡度1∶1.25。壩頂上游側(cè)設(shè)C20混凝土防浪墻，墻頂高程881.20 m。心墻與壩殼之間設(shè)過(guò)渡層，上、下游側(cè)水平厚度均為3.0 m。心墻底部設(shè)寬8.0 m、厚1.0 m的C20混凝土基座作為帷幕灌漿和固結(jié)灌漿的蓋板。大壩上、下游均采用灰?guī)r堆石料碾壓填筑?；A(chǔ)防滲采用帷幕灌漿，沿壩軸線(xiàn)共布置3排防滲帷幕，排距3.0 m，孔距2.0 m，帷幕深度按伸入巖體透水率q≤3 Lu以下5.0 m控制。為解決壩肩繞壩滲漏問(wèn)題，將防滲帷幕自?xún)蓧渭缪貕屋S線(xiàn)分別向左、右壩肩水平延長(zhǎng)100.0、120.0 m。最大帷幕灌漿深87.8 m，平均帷幕灌漿深47.3 m。

目前碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩已建成約120多座，該壩型具有防滲性可靠、抗震性強(qiáng)、適應(yīng)壩體和基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)骨料要求不高，工程造價(jià)較低，受氣候等條件影響較小，尤其適用于寒冷地區(qū)，因此瀝青混凝土心墻壩在北方地區(qū)得到廣泛地應(yīng)用[1-2]。壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工程的關(guān)鍵，對(duì)大壩進(jìn)行應(yīng)力變形分析，可以了解瀝青混凝土心墻的受力特點(diǎn)和安全穩(wěn)定狀態(tài)；對(duì)大壩進(jìn)行滲流分析，可以了解混凝土心墻的抗?jié)B特性[3]。故本文對(duì)寨子河碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩進(jìn)行三維有限元分析，模擬建設(shè)期及蓄水過(guò)程的不同工況，研究分析大壩的多個(gè)剖面變形與應(yīng)力特征以及心墻的應(yīng)力及應(yīng)變，得到不同水位對(duì)壩體的滲流及混凝土的不同配比對(duì)壩體及心墻的應(yīng)力應(yīng)變影響情況。

2 計(jì)算模型

本文滲流分析基于質(zhì)量守恒及達(dá)西定律的穩(wěn)定滲流[4]。由于壩體材料 （心墻料、反濾料、過(guò)濾料、堆石料）及壩基覆蓋層的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)具有明顯的非線(xiàn)性特征[5]，故采用鄧肯-張 （Duncan-Chang）彈性非線(xiàn)性模型的E-μ模型[6]進(jìn)行計(jì)算。在不同材料分界面之間設(shè)置接觸面單元用以模擬面板之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，計(jì)算時(shí)采用Goodman接觸面模型。在模擬每層填筑或分級(jí)加載時(shí)采用 “中點(diǎn)增量法”。蓄水過(guò)程模擬中，在心墻上游面施加水壓力，覆蓋層以及自由面以下堆石施加向上滲透力，混凝土基座施加揚(yáng)壓力。本文采用四川大學(xué)水電學(xué)院多年擴(kuò)充完善的三維非線(xiàn)性有限元分析程序NASGEWIN（計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào):2009SR027603）進(jìn)行建模計(jì)算，該程序已在十多個(gè)重大土石壩工程項(xiàng)目研究中取得了良好的應(yīng)用效果。

3 研究方案

3.1 建立三維有限元模型

寨子河三維有限元計(jì)算的范圍為:沿寨子河壩軸線(xiàn)上、下游分別取206.00、214.00 m，即順河向x方向截取420.00 m；橫河向z方向由樁號(hào)0-200.00取至樁號(hào)0+420.00，橫河向總長(zhǎng)620.00 m，共切取縱剖面37個(gè)。鉛直向y由658.00 m高程取至地表自由面。三維有限元網(wǎng)格共計(jì)剖分13797個(gè)節(jié)點(diǎn)和13417個(gè)單元。

3.2 計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)

（1）計(jì)算工況。對(duì)寨子河大壩進(jìn)行滲流及壩體應(yīng)力變位的計(jì)算分析，共7種工況。其中，滲流計(jì)算工況S1～S4（見(jiàn)表1）主要研究瀝青心墻滲透系數(shù)相同的情況下，不同水位壩體及壩基滲流場(chǎng)及滲流量的影響；壩體應(yīng)力應(yīng)變分析主要計(jì)算竣工期和正常蓄水位下的4種工況 （見(jiàn)表2），采用2種不同心墻瀝青混凝土配合比材料分析壩體應(yīng)力應(yīng)變特征。

表1 寨子河瀝青混凝土心墻堆石壩滲流計(jì)算工況

表2 寨子河瀝青混凝土心墻堆石壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算工況

（2）計(jì)算參數(shù)。計(jì)算時(shí)采用的寨子河碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩材料物理力學(xué)參數(shù)和巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3、4。

表3 寨子河大壩材料物理力學(xué)建議參數(shù) （E-μ模型）

表4 寨子河大壩巖體物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算成果及分析

4.1 滲流分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得到工況S1～S4壩體及壩基滲透場(chǎng)的分布特性:①壩體心墻和帷幕滲流量見(jiàn)表5，由表5可知，工況S1通過(guò)心墻的滲流量為4.2098×10-5m3/s，占總滲透流量的0.50%；由于帷幕阻斷了壩基主要滲透路徑，工況S1通過(guò)帷幕的流量為3.5913×10-3m3/s，占總滲透流量的 42.95%；工況S1總滲流量為8.362×10-3m3/s，僅占多年平均流量的1.443%，故瀝青混凝土心墻和帷幕防滲效果良好。②工況S2、S3、S4的滲流規(guī)律與工況S1基本一致。③工況S1～S4在混凝土心墻的上游至下游的比降分別為 63.104、63.775、63.318及 37.534，均小于允許比降100。④圖1為剖面0+140滲壓分布情況，由圖1可知，工況S1和工況S4明顯不同，工況S1的滲壓明顯大于工況S4，主要是由壩體上游水位的差異所導(dǎo)致。

4.2 壩體變位及應(yīng)力分析

計(jì)算竣工期和正常蓄水位下各剖面局部區(qū)域順河向位移Ux及豎向位移Uy，同時(shí)得到各剖面局部區(qū)域最大與最小主應(yīng)力分布情況，據(jù)此分析各剖面的特征節(jié)點(diǎn)在各工況下的位移與應(yīng)力。圖2為典型剖面0+140處的材料分區(qū)及特征節(jié)點(diǎn)位置。

表5 寨子河大壩壩體心墻和帷幕的滲流量 10-3m3/s

圖1 剖面0+140滲壓等值線(xiàn)示意

圖2 寨子河大壩剖面0+140的材料分區(qū)及特征節(jié)點(diǎn)位置示意

4.2.1 壩體變位分析

圖3和表6為剖面0+140在4種工況下特征節(jié)點(diǎn)的位移情況:①4種工況的各橫剖面沉降和河床壩段順河向水平變位分布規(guī)律基本相同 （見(jiàn)圖3）。即最大沉降量一般出現(xiàn)在壩體中心線(xiàn)附近，且隨壩高增加而增加；以上區(qū)域一般向上游變位，壩軸線(xiàn)以下區(qū)域則向下游變形。②壩體變位受瀝青心墻配合比的影響十分微弱。對(duì)比工況Ⅰ和Ⅱ，壩最大剖面的最大沉降均出現(xiàn)在壩體中部835.00 m高程處，分別為-28.877、-28.594 cm，而工況Ⅳ的最大沉降為-28.698 cm，僅增加了約0.18 cm，差異微?。粚?duì)比工況Ⅱ和Ⅳ，下游堆石節(jié)點(diǎn)8060向下游變位分別為13.88、13.94 cm，由于9號(hào)配合比瀝青混凝土更為軟弱，故變形略微增大，但總體差異不大。

圖3 剖面0+140處各工況下瀝青混凝土心墻位移隨高程變化示意

表6 剖面0+140處的特征節(jié)點(diǎn)位移

4.2.2 壩體應(yīng)力分析

表7和圖4總結(jié)了剖面0+140處835.00 m高程在各種工況下特征節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況，由此可知:①各橫剖面大主應(yīng)力σ1分布規(guī)律一致，上下游堆石淺部σ1接近自重應(yīng)力，量值隨埋深增大而增大；各橫剖面小主應(yīng)力σ3分布規(guī)律同σ1類(lèi)似，量值隨埋深增大而增大；河床橫剖面σ3未出現(xiàn)拉應(yīng)力。②由于基礎(chǔ)地形轉(zhuǎn)折，心墻上游面小主應(yīng)力σ3的分布存在局部應(yīng)力波動(dòng)和應(yīng)力集中現(xiàn)象；同樣由于右岸地形陡峭，致使瀝青混凝土心墻在右岸壩頂附近出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力區(qū) （見(jiàn)圖5）。③正常蓄水位與竣工期的壩體空間主應(yīng)力分布相似，且工況Ⅱ與工況Ⅳ應(yīng)力差異微小。④正常蓄水期心墻應(yīng)力水平較低，約為0.3～0.4 MPa，上下游堆石應(yīng)力水平在0.7 MPa以下，安全余度較大；3號(hào)和9號(hào)配合比心墻應(yīng)力水平無(wú)明顯差別，壩體正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)力水平處于正常范圍 （見(jiàn)圖 6）。

表7 典型剖面特征節(jié)點(diǎn)在各工況下的應(yīng)力 MPa

圖4 剖面0+140處的主應(yīng)力示意 （工況Ⅱ）

圖5 心墻上游面σ3等值線(xiàn)示意 （工況Ⅰ）

5 結(jié)論

（1）瀝青心墻和下游過(guò)渡區(qū)水頭變化劇烈，但滲流量分布規(guī)律符合常規(guī)；在瀝青心墻下游側(cè)自由面急跌至下游水位，而后呈近似水平直線(xiàn)分布，且等于下游水位，說(shuō)明瀝青防滲效果非常好。

（2）與竣工期相比，正常蓄水期對(duì)上游堆石區(qū)應(yīng)力水平影響較明顯，而對(duì)下游堆石區(qū)影響不大。瀝青混凝土配合比對(duì)心墻應(yīng)力水平影響不大，3號(hào)和9號(hào)配合比均可作為施工配合比。壩體正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)力水平處于正常范圍。

圖6 剖面0+140心墻應(yīng)力水平等值線(xiàn)示意

（3）正常蓄水工況下，由于上游浮托力的作用，上游堆石區(qū)小主應(yīng)力顯著降低，而下游堆石區(qū)小主應(yīng)力上升。河床橫剖面σ3未出現(xiàn)拉應(yīng)力。由于9號(hào)配合比瀝青混凝土更為軟弱，因此小主應(yīng)力微微增大，增加幅度在0.1 MPa以?xún)?nèi)。

（4）由于右岸820.00 m高程以上岸坡陡峭，竣工期在壩頂瀝青心墻和基巖接觸面處出現(xiàn)小值拉應(yīng)力區(qū)。該區(qū)域由于軟硬結(jié)合，易出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變位而導(dǎo)致開(kāi)裂，建議采取必要工程措施。

［1］王為標(biāo)，Kaare HOEG.瀝青混凝土心墻土石壩:一種非常有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型［C］//第一屆堆石壩國(guó)際研討會(huì)論文集.北京:中國(guó)水利水電出版社，2009:62-67.

［2］中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院.大石門(mén)水電站工程碾壓式瀝青凝土心墻堆石壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算報(bào)告［R］.吉林:中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2007.

［3］解衛(wèi)東，李曉麗.碾壓式堆石壩瀝青混凝土心墻應(yīng)力位移分析［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2009，30（2）:199-203.

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